5 scoperte fatte dal Large Hadron Collider (finora)

A volte, sono le piccole cose che ti fanno impazzire. All'inizio del 20° secolo, i fisici sembravano avere l'universo abbastanza ben strutturato, tra la gravità newtoniana e le equazioni elettromagnetiche di Maxwell. C'era solo un fastidioso problema: come spiegare la radioattività. Affrontarlo ha innescato una rivoluzione scientifica che ha rivelato la sorprendente verità sulle piccole cose: a volte contengono universi.

La fisica delle particelle e la meccanica quantistica, le scienze del veramente minuscolo, hanno portato alla fisica altre due forze fondamentali e un serraglio di strane particelle elementari, ma dopo gli anni '70 non restava che testare e perfezionare la teoria dominante, il modello standard . Altri 30 anni di granelli subatomici sfornati da acceleratori e collisori hanno riempito gli spazi vuoti delle chiavi, eppure molte domande sono rimaste: perché alcune particelle avevano massa mentre altre no? Potremmo unificare le quattro forze fondamentali o far andare d'accordo la relatività generale e la meccanica quantistica?

Uno di questi fili penzolanti potrebbe innescare un'altra rivoluzione? Per scoprirlo ci vorrebbe un collisore di particelle più grande e potente che mai, un anello di 16,8 miglia (27 chilometri) di magneti superconduttori più freddo dello spazio esterno, in grado di sbattere insieme le particelle alla velocità della luce in un vuoto ultra alto. Il 10 settembre 2008, questo Large Hadron Collider (LHC ) da 10 miliardi di dollari, lo sforzo collaborativo di centinaia di scienziati e ingegneri in tutto il mondo, si è unito al campus di acceleratori dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) e ha presto battuto i record di collisione di particelle.

Diamo un'occhiata a ciò che abbiamo imparato finora, partendo dalla scoperta più famosa di tutte.

1. Il bosone di Higgs
2. tetraquark
3. Supersimmetria mancante
4. Moto Coordinato
5. Segni di una nuova fisica dopo tutto ... o no

Nel nostro mondo macro, assumiamo che tutte le particelle abbiano massa, per quanto piccola. Ma nel micromondo, la teoria elettrodebole , che lega le forze elettromagnetiche e deboli in un'unica forza sottostante, prevede che le particelle speciali chiamate mediatori non dovrebbero avere alcuna massa; che è un problema, perché alcuni di loro lo fanno.

I mediatori sono portatori di forza: i fotoni trasmettono elettromagnetismo, mentre i bosoni W e Z portano una forza debole. Ma mentre i fotoni sono privi di massa, i bosoni W e Z hanno un peso notevole, dell'ordine di 100 protoni ciascuno [fonte: CERN ].

Nel 1964, il fisico Peter Higgs dell'Università di Edimburgo e il team di François Englert e Robert Brout della Libera Università di Bruxelles hanno proposto indipendentemente una soluzione: un campo insolito che trasmetteva massa in base alla forza con cui le particelle interagivano con esso. Se questo campo di Higgs esistesse, allora dovrebbe avere una particella mediatrice, un bosone di Higgs . Ma ci vorrebbe una struttura come l'LHC per rilevarlo.

Nel 2013, i fisici hanno confermato di aver trovato un bosone di Higgs con una massa di circa 126 giga-elettronvolt (GeV), la massa totale di circa 126 protoni (l'equivalenza massa-energia consente ai fisici di utilizzare gli elettronvolt come unità di massa ) [fonti: Das ]. Lungi dal chiudere i libri, questo ha aperto nuove aree di ricerca sulla stabilità dell'universo, sul perché sembra contenere molta più materia che antimateria e sulla composizione e abbondanza della materia oscura [fonti: Siegfried].

Nel 1964, due ricercatori che lottavano per dare un senso agli adroni - particelle subatomiche influenzate dalla forza forte - ebbero individualmente l'idea che fossero costituiti da una particella costituente con tre tipi. George Zweig li ha chiamati assi; Murray Gell-Mann li ha soprannominati quark e ha etichettato i loro tre tipi, o sapori, come "up", "down" e " strano ". I fisici avrebbero poi identificato tre altri sapori di quark: "charm", "top" e "bottom".

Per molti anni, i fisici hanno diviso gli adroni in due categorie in base ai due modi in cui i quark li hanno realizzati: i barioni (inclusi protoni e neutroni) erano composti da tre quark, mentre i mesoni (come pioni e kaoni) erano formati da coppie quark-antiquark [ fonti: CERN ; ODS]. Ma erano queste le uniche combinazioni possibili?

Nel 2003, ricercatori in Giappone hanno trovato una strana particella, X(3872) , che sembrava essere composta da un quark charm, un anticharm e almeno altri due quark. Durante l'esplorazione della possibile esistenza della particella, i ricercatori hanno scoperto Z(4430) , un'apparente particella di quattro quark. Da allora l'LHC ha scoperto prove di molte di queste particelle, che rompono - o almeno si piegano sostanzialmente - il modello stabilito per le disposizioni dei quark. Tali particelle Z sono fugaci, ma potrebbero aver prosperato per un microsecondo circa dopo il Big Bang [fonti: O'Luanaigh ; Muori ; Concessione ].

I teorici hanno avanzato la supersimmetria , soprannominata SUSY , per affrontare diversi problemi fastidiosi che il modello standard ha lasciato senza risposta, come il motivo per cui alcune particelle elementari hanno massa, come l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli potrebbero essersi legate insieme e, forse, cos'è la materia oscura fatto di. Ha anche stabilito una relazione allettante tra i quark e i leptoni che compongono la materia ei bosoni che mediano le loro interazioni. Come i barioni menzionati in precedenza, i leptoni (come gli elettroni) appartengono a un gruppo di particelle subatomiche chiamate fermioniche hanno proprietà quantistiche opposte ai bosoni. Eppure, secondo SUSY, ogni fermione ha un bosone corrispondente, e viceversa, e ogni particella può trasformarsi nella sua controparte [fonti: CERN ; assediato].

Se fosse vero, SUSY significherebbe che i due tipi di particelle elementari (fermioni e bosoni) sono semplicemente due facce della stessa medaglia; eliminerebbe certe quantità infinite in fuga che affiorano nella matematica lasciando che le particelle corrispondenti si annullino; e farebbe spazio alla gravità - un'omissione lampante nel modello standard - perché le conversioni fermione-bosone e bosone-fermione potrebbero coinvolgere i gravitoni , i portatori di forza di gravità a lungo teorizzati.

I fisici speravano che l'LHC avrebbe trovato prove a sostegno di SUSY o avrebbe rivelato problemi più profondi che avrebbero indicato un nuovo territorio teorico e sperimentale. Finora, nessuno dei due sembra essere accaduto, ma non contiamo ancora la supersimmetria. SUSY esiste in molte versioni, ognuna legata a particolari presupposti; l'LHC ha semplicemente setacciato alcune delle varietà più eleganti e probabili.

Quando gli scienziati che calibravano gli strumenti LHC hanno saltato le solite collisioni protone-protone e hanno optato invece per speronare i protoni nei nuclei di piombo, hanno notato un fenomeno sorprendente: i percorsi casuali che di solito seguivano le schegge subatomiche risultanti erano stati sostituiti da un'apparente coordinazione.

Una teoria avanzata per spiegare il fenomeno afferma che l'impatto ha creato uno stato esotico della materia chiamato plasma di quark-gluoni (QGP) , che scorreva come un liquido e produceva particelle coordinate mentre si raffreddava. Sia i Brookhaven National Laboratories che l'LHC hanno precedentemente creato QGP - la forma più densa di materia al di fuori di un buco nero - facendo scontrare ioni pesanti come piombo e oro . Se il QGP da una collisione protone-piombo si rivela possibile, potrebbe influenzare in modo significativo le idee su come gli scienziati vedono le condizioni immediatamente dopo il Big Bang, quando il QGP ha avuto il suo breve periodo di massimo splendore. C'è solo un problema: la collisione non avrebbe dovuto avere abbastanza energia per sfornare l'ipotetica zuppa di quark [fonti: CERN ; Concessione ;Roland e Nguyen ; Di ].

Sebbene la maggior parte dei fisici sia favorevole a questa idea nonostante i suoi problemi, alcuni hanno sostenuto una seconda spiegazione che coinvolge un campo teorico creato dai gluoni , le particelle che mediano una forza forte e incollano quark e antiquark in protoni e neutroni. L'ipotesi dice che i gluoni che sfrecciano a una velocità prossima alla luce formano campi che li fanno interagire. Se corretto, questo modello potrebbe fornire preziose informazioni sulla struttura e l'interazione dei protoni [fonti: Grant ].

Per quanto illogico possa sembrare, molti fisici speravano che l'LHC avrebbe fatto qualche buco nel modello standard. La struttura presenta problemi, dopotutto, e forse una o due scoperte sconvolgenti confermerebbero la supersimmetria, o almeno indicherebbero nuove strade di ricerca. Come accennato, tuttavia, l'LHC ha inferto colpi ripetuti alla fisica esotica, riconfermando il modello standard ad ogni turno. Certo, i risultati non sono tutti disponibili (ci sono moltissimi dati da analizzare) e l'LHC deve ancora raggiungere la sua piena energia di 14 tera-elettronvolt (TeV). Tuttavia, le probabilità non sembrano buone per rendere il modello standard un cattivo aspetto.

O forse lo fanno, se un rapporto del 2013 sul decadimento del mesone B è indicativo. Mostra i mesoni B che decadono in un mesone K (aka un kaone) e due muoni (particelle simili agli elettroni), che non solleverebbero le sopracciglia , tranne per il fatto che il decadimento ha seguito uno schema non previsto dal modello standard. Sfortunatamente, lo studio attualmente scende al di sotto della soglia del ballo nei nostri camici. Tuttavia, è abbastanza alto da suscitare speranze e l'analisi di dati aggiuntivi potrebbe spostarla dalla zona rossa alla end zone. Se è così, lo strano schema di decadimento potrebbe offrire il primo assaggio della nuova fisica che così tanti stanno cercando [fonti: Johnston ; O'Neill ].

Nota dell'autore: 5 scoperte fatte dal Large Hadron Collider

Dopo il completamento dell'LHC, alcuni si chiedevano cosa avrebbe significato per la fisica se il bosone di Higgs non si fosse presentato. Non era solo la principale ragion d'essere del gigantesco frantumatore di atomi; era una sorta di fulcro del modello standard.

Ora c'è un problema più grande, e riguarda le misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate dalla seconda generazione del Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Se le osservazioni di BICEP2 si rivelano corrette, allora il campo di Higgs avrebbe dovuto essere abbastanza energico durante il Big Bang da causare un Big Crunch immediato. In altre parole, se entrambe le idee sono vere, allora non dovremmo essere qui a discutere sul motivo per cui non possono essere vere entrambe.

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